銅渣資源綜合利用研究現(xiàn)狀

文/何芝成

1 引言

據(jù)世界金屬統(tǒng)計(jì)局（WBMS）公布數(shù)據(jù)，2021 年全球精煉銅產(chǎn)量為2466 萬噸，同比增加2.1%。目前，中國是全球精煉銅產(chǎn)量最大的國家，2021 年中國精煉銅產(chǎn)量為1049 萬噸，占全球總產(chǎn)量的42.54%。而每生產(chǎn)1 噸精煉銅約排放2-3 噸銅渣，因此，2021 年我國約排放2000-3000 萬噸銅渣。

各種銅冶煉方法產(chǎn)出熔煉銅渣中銅、鐵含量見表1 所示：

表1 各種銅冶煉方法產(chǎn)出熔煉渣中銅、鐵含量/%

為進(jìn)一步降低渣中含銅，各冶煉廠采用緩冷-浮選、或火法貧化-浮選等方式，對渣中的銅進(jìn)行回收，使處理后的銅渣含銅為0.2%-0.4%，含F(xiàn)e30%-45%、SiO230%-40%、Al2O33%-10%、CaO2%-8%、Zn1%-2%、Pb0.5%-1%、S0.3%-0.5%、As0.1%-0.3%。盡管如此，每年隨銅渣損失的金屬銅在5 萬噸以上，金屬鐵超過800 萬噸。

在如此巨量的銅渣中，不僅含有銅和鐵，還含有鋅、鉛、砷等有價(jià)元素，除了少量被回收利用，其余都被堆存處理，這不僅占用大量的土地，還會(huì)對周圍的水體和土壤產(chǎn)生污染，造成環(huán)境危害。

2 銅渣未能直接用于高爐煉鐵的原因

銅渣中含鐵30%-45%，我國鐵礦石平均品位為30%-35%[1]，理應(yīng)成為鐵精礦，但未能直接用于高爐煉鐵，其原因?yàn)椋?/p>

一是銅渣中Zn、Pb、As、Cu、S 含量均超過鐵礦石有害元素控制標(biāo)準(zhǔn)。高爐煉鐵允許鐵礦石中有害元素含量及過量造成的危害見表2 所示：

表2 鐵礦石有害元素控制標(biāo)準(zhǔn)及過量危害/%

二是銅渣中的鐵主要以鐵橄欖石(Fe2SiO4)形式存在，為難還原物質(zhì)，不論是作為配礦使用還是直接入爐，都對高爐的生產(chǎn)造成巨大影響，如冶煉過程困難、能耗增加、爐壁結(jié)瘤、爐渣量增大等。

因此，若想要通過高爐大批量地處理、回收利用銅渣，首先得對銅渣進(jìn)行預(yù)處理，使其滿足高爐煉鐵原料入爐標(biāo)準(zhǔn)。

3 銅渣資源綜合利用及研究現(xiàn)狀

3.1 銅渣在水泥工業(yè)中的利用

水泥的主要化學(xué)成分為：氧化鈣，二氧化硅，三氧化二鋁，以及少量的三氧化二鐵(見表3)，水泥在生產(chǎn)過程中，需要向其中添加少量鐵質(zhì)校正劑，鐵氧化物與二氧化硅反應(yīng)生成較低熔點(diǎn)的硅酸鐵，可以降低水泥熟料的燒成溫度。

表3 水泥和銅渣的化學(xué)成分含量/%

銅渣中的鐵若以氧化鐵形式表示則高達(dá)43%-64%，二氧化硅30%-40%，向水泥中添加少量銅渣，其中的鐵恰好可以作為水泥所需的鐵質(zhì)校正劑。但畢竟水泥和銅渣兩者化學(xué)成分有差異，導(dǎo)致水泥工業(yè)不能大量添加銅渣，一般僅添加5%左右。

3.2 銅渣回收鐵的技術(shù)研究

近些年銅渣排放量呈逐年上升趨勢，有關(guān)銅渣回收鐵的研究也備受關(guān)注。

3.2.1 直接磁選

常溫下采用磨礦+磁選的方式回收銅渣中的鐵，表4中列出了幾項(xiàng)直接磁選回收銅渣中鐵的研究。

結(jié)果表明鐵精礦中含銅＞0.2%，鐵的品位和回收率均不高，因此，直接磁選回收銅渣中的鐵不具有明顯優(yōu)勢。

3.2.2 氧化焙燒+磁選

在800-1400℃條件下，加入調(diào)渣劑，使銅渣中的鐵向磁性鐵轉(zhuǎn)變，然后緩慢控制冷卻速度，使磁性鐵顆粒長大，再采用磨礦+磁性的方式回收鐵，見表5 所示。

表5 氧化焙燒回收銅渣中的鐵

結(jié)果表明鐵的回收率高達(dá)90%，但鐵精礦中含雜質(zhì)以及存在能耗較高的問題。

3.2.3 直接還原+磁選

采用向銅渣中加入還原炭和添加劑，在1200℃-1300℃條件下，將銅渣中的鐵還原為單質(zhì)鐵，然后采用磨礦+磁選的方式回收鐵，表6 中列出了幾項(xiàng)直接還原+磁選回收銅渣中鐵的研究。

表6 直接還原+磁選回收銅渣中的鐵

結(jié)果表明可直接獲得金屬鐵粉，品位＞92%，回收率也較高，但仍然存在鐵粉中含銅，能耗高的問題。

3.2.4 熔融還原

向銅渣中配入還原劑和造渣劑，在＞1250℃條件下將鐵還原為液態(tài)鐵水并進(jìn)行回收，表7 中列出了熔融還原鐵的研究。

表7 熔融還原回收銅渣中的鐵

結(jié)果表明鐵的品位和回收率都高，但存在鐵產(chǎn)品含銅的問題。

3.3 銅渣鐵硅分離研究

3.3.1 氧化焙燒+堿浸

銅渣在800℃氧化焙燒60min，焙燒渣采用L:S=5:1，NaOH 濃度160g/L，T=110℃，t=180min 條件下浸出，硅的浸出率為87.33%，渣中硅含量降至4.08%，鐵未被浸出留于渣中[10]，浸出渣成分見表8 所示。

表8 氧化焙燒渣堿浸所得焙燒渣化學(xué)成分/%

采用氧化焙燒+堿浸的方式，能有效分離鐵和硅，硅可以從浸出液進(jìn)一步提取得到硅的產(chǎn)品，渣中含鐵品位較高，但渣中Zn、Pb、Cu 遠(yuǎn)高于高爐煉鐵雜質(zhì)元素控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 碳熱還原+堿浸

含鐵43.91%、二氧化硅33.61%的銅渣配入碳，在1200℃下還原60min，Zn、Pb 揮發(fā)進(jìn)入煙塵，還原產(chǎn)物在L:S=6:1，NaOH 濃 度160g/L，T=110 ℃，t=150min 條件下浸出，可得到鐵品位78.17% 的鐵精礦[11]，實(shí)現(xiàn)鐵硅分離。

采用碳熱還原+堿浸的方式，銅渣中的Zn、Pb 揮發(fā)進(jìn)入煙塵，可極大降低堿浸渣中鐵粉Zn、Pb 含量，但Cu仍在鐵粉中。

3.4 銅渣制備不銹鋼資源綜合利用研究

由東北大學(xué)張廷安教授團(tuán)隊(duì)、東北大學(xué)有色固廢技術(shù)研究院(遼寧)有限公司等單位完成的“熔融銅渣適度貧化-渦流還原制備含銅抗菌不銹鋼/耐磨鑄鐵關(guān)鍵技術(shù)與裝備開發(fā)”項(xiàng)目，在中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)召開的科技成果評價(jià)會(huì)上通過鑒定，與會(huì)專家一致認(rèn)為，此項(xiàng)科技成果創(chuàng)新性強(qiáng)。該項(xiàng)目技術(shù)成果已形成國家發(fā)明專利10 余項(xiàng)、國際PCT 專利3 項(xiàng)。

據(jù)悉，銅渣在1150℃-1350℃經(jīng)過這一新工藝處理后，渣含銅量降至0.28%-0.5%范圍，渣中部分銅被還原進(jìn)入鐵水，含銅鐵水在1650℃冶煉成含銅抗菌不銹鋼，渦流還原技術(shù)與裝備可使還原渣中的銅、鐵、鋅含量分別降至0.06%、0.2%、0.03%以下，使得銅渣中有價(jià)金屬銅、鐵、鋅的利用率分別達(dá)到95%、98%、90%。銅渣中的鉛、鋅等進(jìn)入收塵系統(tǒng)，貧化尾渣可用于水泥工業(yè)。

表9 銅渣資源綜合利用比較

3.5 銅渣資源綜合利用比較

由上可知，大多數(shù)的銅渣處理方法，存在能耗高，鐵精礦或鐵產(chǎn)品雜質(zhì)含量高，經(jīng)濟(jì)效益不明顯等問題；熔融還原制不銹鋼，銅渣中的銅得到充分利用，鉛鋅進(jìn)入煙塵回收，貧化尾渣制造水泥，提高了產(chǎn)品附加值，資源得到綜合利用，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

目前，雖然銅渣在回收鐵的技術(shù)及資源綜合利用方面的研究取得了一些成果，但大多數(shù)都只停留在實(shí)驗(yàn)室研究和專利申請，真正進(jìn)行了工業(yè)擴(kuò)大試驗(yàn)并成功應(yīng)用于生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的還鮮見報(bào)道。因此，需要加大力度，助推銅渣資源綜合利用產(chǎn)業(yè)化。